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CP CONTROL DE PROCESOS

Josep Anton Feliu GilDirector de Marketing, Inprocess Technology & Consulting Group, S.L.

Entrenamiento de operadores de plantas de proceso La seguridad y la productividad de las plantas de proceso dependen del correcto funcionamiento de sus sistemas de control y seguridad, normalmente centralizados en las salas de control, gracias a los sistemas de control distribuido (DCS). Disponer de operadores perfectamente entrenados en su funcionamiento será determinante en asegurar la producción.

Palabras clave: Simulación dinámica, OTS, Seguridad, Control de Procesos, Inprocess, Aspen HYSYS

Safety and productivity in processing plants highly depend on the accurate performance of the control and safety systems, normally centralized in control rooms, through the distributed control systems and safety instrumented systems (DCS, SIS). In order to ensure the plant production, it is key to have staff perfectly trained in the operation of such automated systems..

Keywords Dynamic simulation, OTS, Safety, Process Control, Inprocess, Aspen HYSYS

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LOS RESPONSabLES DEL CORRECTO funcionamiento de plantas de proceso de la industria química y petroquímica son los operadores. De estos profe-sionales depende que los equipos, las unidades, los sistemas auxiliares y los procesos funcionen adecuadamente, asegurando que la planta es rentable económicamente sin comprometer la seguridad de las personas, los equipos y el medio ambiente.

aprender el funcionamiento de la instrumentación presente en la sala de control de las plantas de proceso sería equivalente al aprendizaje que siguen los pilotos de avión para cono-cer la instrumentación de las cabinas, o al que hacen los de fórmula 1 an-tes de afrontar nuevos circuitos. Nos parece obvio que ninguno de estos profesionales o deportistas se enfren-te a situaciones reales sin antes haber pasado por situaciones simuladas: los pilotos de aviación por los simuladores de vuelo, y los pilotos de fórmula 1 por los simuladores de conducción. La formación de los operadores de plan-ta, del mismo modo, incluye etapas de entrenamiento en entornos simu-lados, que reproducen el comporta-miento esperado durante la operación diaria de las plantas. Son los que en el ambiente formativo de operadores se conoce como Sistemas de Entrena-miento de Operadores (OTS, Operator Training Systems, en inglés).

Los OTS replican el funcionamiento del sistema de control de una planta real en un entorno simulado. Las sa-las de formación donde se instalan los OTS intentan ser idénticas a las salas de control reales para que el opera-dor vea las mínimas diferencias entre el entorno simulado de formación y el entorno real de operación.

Para conseguir esta similitud, los OTS constan de distintas partes, cada una con un objetivo formativo claro:

•Modelodesimulacióndinámicori-guroso que se comporta exactamente igual que los equipos y sistemas de la planta real.

•Simulador (oemulador)del sis-

tema de control distribuido que está instalado en la planta real

•Entornodetrabajodeloperador,con las mismas consolas, imágenes, teclados, ordenadores, impresoras que existen en la planta real

La eclosión de plataformas de soft-ware comerciales, capaces de simular dinámicamente, con alta rigurosidad, en tiempo real, el comportamiento de los equipos y las unidades presen-tes en las plantas de proceso y ener-géticas, ha posibilitado la evolución de los materiales formativos para operadores hacia sistemas capaces de representar escenarios de operación mucho más cercanos a los reales. De hecho, se está incluso ya traba-jando en sistemas de realidad virtual, con visualización 3D, para comple-tar la formación de los operadores de campo. Simuladores dinámicos rigurosos de procesos como aspen HYSYS,UniSimDesign,VMGSimyotros, proporcionan a los desarrolla-dores de material formativo entornos en los que programar simulaciones del comportamiento real de equipos individuales (bombas, compresores, intercambiadores de calor, columnas de destilación, reactores, etc.), de unidades productivas (hidrodesulfu-radoras de refinería, deshidratadoras de gas natural, cracker de etileno, etc.) e, incluso, de plantas completas (producción de fenol, licuefacción de gas natural, producción de amonia-co, etc.).

La ventaja de los entornos de for-mación virtuales, basados en simula-dores rigurosos de procesos, es que permiten formar al operador (o al piloto) no sólo en las situaciones de operación habitual de la planta, sino, y mucho más importante, en las situa-ciones anormales de funcionamiento,

en las arrancadas y paradas de unida-des o de toda la planta, en situaciones de emergencia, y en todas aquellas en las que, por motivos obvios de segu-ridad, resulta imposible formarse en el entorno real de trabajo.

Es de remarcar que los OTS no son sólo una herramienta de formación “inicial”.Muchasempresasdeinge-niería consideran los OTS como aquello necesario para que el operador entien-da cómo hay que ejecutar la puesta en marcha inicial de la planta y, de hecho, muchos de los proyectos de OTS en el mercado se han vendido y ejecutado con esa idea en mente. Las compañías operadores, las que después del arran-que inicial deben mantener la planta en producción segura y económicamente viable, en cambio, necesitan los OTS como una herramienta de formación “inicial” y de formación “continuada”. Para estas compañías, los OTS son el complemento para entrenar los opera-dores en cambios de carga, en cambios de estrategia de control, en posibles nuevas regulaciones de seguridad, pa-ra formar a los nuevos empleados, para re-entrenar las tareas más Difíciles, Im-portantes y (poco) Frecuentes (criterio DIF).

En la estrategia de implantación internacional de Inprocess, los pro-yectos de OTS han jugado un papel determinante. Desde campos remo-tos de extracción de crudo en alaska o en la selva boliviana, hasta plantas de producción de productos quími-cos en Suecia o China, pasando por unidades de refinería en Turquía, han entrenado a sus operadores de sala de control con un OTS desarrollado por Inprocess. En las siguientes secciones se detallaran dos de los casos de éxito de los proyectos OTS desarrollados in-ternacionalmente por Inprocess.

El uso de un OTS permite avanzar tanto el momento de arranque de las plantas como la duración de dicho proceso de arranque

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¿Qué es un OTs?Como se ha mencionado en la intro-ducción, un OTS es una herramienta para el entrenamiento de los operado-res de la sala de control de una planta de proceso. En ellos normalmente se distinguen las tres partes menciona-das: la que representa a los equipos y procesos de la planta real, la que representa al sistema de control exis-tente en la planta y la sala de control reales, y la que representa el entorno físico de trabajo del operador.

Según cómo se decida implementar en el OTS la réplica del sistema físico de control de la planta real, se estará desarrollando un OTS de conexión di-recta (aquellos en los que se incorpora un software de simulación del sistema de control distribuido, que el mismo fabricante del DCS comercializa), o de un OTS emulado (aquellos en los que el sistema de control se simula en el mismo simulador de los procesos de planta). La Figura 1 muestra un es-quema de cómo un OTS de conexión

directa reproduce un entorno real de operación, mientras que la Figura 2 muestra cómo lo reproduciría un OTS emulado. Habría que mencionar que, como los OTS son herramientas formativas, necesitan también de un punto desde donde el instructor pue-da lanzar los ejercicios, corregir las acciones de los operadores y evaluar sus respuestas a los escenarios pro-puestos.

Las diferencias que un operador detecta entre un sistema de conexión directa y uno emulado son mínimas, pero existen. algunas compañías ope-radoras optan por la solución emulada para abaratar costes; otras prefieren soluciones más costosas, pero más fieles a la realidad.

DOs casOs inTernaciOnales De éxiTOEn una reciente convención de usua-rios de software de simulación, orga-nizada por aspentech Inc. en boston, durante mayo del 2015 (www.opti-mize2015.com), dos de los clientes de Inprocess que implementaron la solución de OTSs de conexión direc-ta para el entreno de sus operadores en dos plantas de nueva construcción presentaron sus experiencias al resto de asistentes.

Nuevas plaNtas de produccióN de cumeNo y FeNol eN shaNghai, de cepsa chemicals [1]Cepsa inició la producción de las nue-vasplantasdefenol(250kMt/año)yacetona(150kMt/año)enelShanghaiChemical Industry Park (SCIP) a princi-pios de 2015. Esas plantas iban a ser una réplica aumentada de las plantas que la misma compañía opera en Pa-los de la Frontera, Huelva (España), con la particularidad de un cambio del proveedor del sistema de control, pasando de un sistema Honeywell a un sistema Emerson. antes de esa puesta en marcha, Cepsa entrenó a sus operadores chinos, tanto en el proceso productivo, con visitas a las plantas existente en Huelva, como en el nuevo sistema de control con el OTS

Figura 1. Elementos de un OTS Conexión Directa

Figura 2. Elementos de un OTS Emulado

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desarrollado por Inprocess. El núme-ro de escenarios que incluyó el OTS fue extenso, incluyendo la operación normal de las plantas, su arranque y su parada, el mal funcionamiento de algunos equipos e instrumentación, y las situaciones de emergencia.

El principal reto del OTS fue la in-corporación de múltiples reacciones químicas al modelo de simulación di-námica riguroso, que en este proyecto se desarrolló usando aspen Hysys, sin olvidar las hasta dieciocho columnas de destilación y el gran volumen de corrientes de reciclo que retornaban aguas arriba reactivos no reacciona-dos y disolventes recuperados. En to-tal, el modelo de la planta de cumeno constaba de 60 equipos, 130 válvulas (90 de ellas, de control) y unas 1.000 señalesdeentrada/salida.Elmode-lo de la planta de fenol, en cambio, constaba de 132 equipos, 313 vávulas (200 de control) y unas 2.000 señales deentrada/salida.Habríaquemencio-nar que no sólo la cinética rigurosa de los reactores fue incluida en el mode-lo dinámico, sino que la hidrodinámica de los reactores (de lecho fluidizado) también fue considerada, a pesar de la falta de un bloque equivalente en la paleta de objetos de aspen Hysys.

Como muestra la Figura 3, se buscó que la arquitectura del sistema fue-ra simple, con una única estación de operador (que incluía el emulador del sistema de control, con las pantallas del operador idénticas a las reales) y una estación de instructor (con los modelos dinámicos del proceso, y el software de gestión de los ejercicios y de los protocolos de comunicación entre todos los actores del OTS).

Un aspecto importante a resaltar en los proyectos OTS de conexión directa para plantas de nueva construcción es que el desarrollo del sistema de entre-namiento sigue un camino paralelo al del desarrollo del DCS y de su base de datos por parte de la empresa comer-cializadora del mismo. En estos casos, como muestra la Figura 4, la disponi-bilidad de un modelo dinámico de al-ta fidelidad, como el que se desarrolla

para el OTS, permite efectuar los tests de aceptación de las bases de datos del DCS contra unos valores de varia-bles y unas respuestas de las mismas mucho más cercanas a las reales que las que se obtienen con los simplifica-dos step-tests.

En el proyecto de Cepsa Química, este proceso de testeo del DCS contra el modelo de simulación dinámica de la planta disponible permitió corregir errores en la base de datos, tanto de lazos de control mal implementados como de acciones de controladores equivocadas, rangos de los sensores mal calibrados y tipos de controlado-res erróneos.

Por lo que respecta a la formación de los operadores, 2.000 horas de formación han sido impartidas para entrenar hasta a 46 operadores de los distintos turnos, los cuales han conse-guido familiarizarse con los procesos

productivos y sus procedimientos de operación, así como con las interfa-ces, la navegación y los controles de las pantallas. Los operadores han me-jorado los procedimientos de seguri-dad y de operación, han uniformizado los niveles de conocimientos, se les ha inculcado el pensamiento racional, y se ha mejorado el tiempo de reacción a los imprevistos. Como resultado, se ha aumentado la seguridad de la planta, se ha reducido el tiempo que se había previsto de arranque de las nuevas plantas y, como consecuencia, se ha reducido también la cantidad de producto fuera de especificación que se ha generado.

además, como beneficio paralelo al de la formación de los operadores, el uso del modelo dinámico como herra-mienta de ingeniería de operación ha permitido a Cepsa evaluar distintos es-cenarios alternativos de operación pa-

Figura 3. Arquitectura del OTS

Figura 4. Cronograma indicativo de las etapas de un proyecto OTS ligado al desarrollo del DCS

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ra el caso de potenciales cambios en las materias primeras (principalmente, propileno), dependiendo del provee-dor local escogido.

Nueva plaNta de aldehído valérico eN suecia, de perstorp aB [2]En el corto periodo de seis meses, Perstorp tuvo que arrancar dos nuevas plantas: una completamente nueva, de diseño propio, para la producción de aldehído valérico, y una segunda que era la modificación de una exis-tente para la producción de alcohol 2-propylheptanoico (2-PH). Para la planta de nueva construcción decidió ayudarse de un OTS de conexión di-recta desarrollado por Inprocess para el entreno de sus operadores en el arranque de la planta. Para la planta sólo modificada decidió que no nece-sitaría un OTS debido al conocimiento previo que ya se tenía sobre la misma.

En este caso, el reto de modelaje dinámico en aspen Hysys fue incluir hasta doce reacciones simultáneas de equilibrio en el reactor, con sus respec-tivas cinéticas, donde la velocidad de agitación afectaba el alcance de la re-acción. La lógica del sistema de segu-ridad de la planta fue implementada a través de las matrices causa-efecto de aspen Hysys. Otras lógicas adicionales se incluyeron usando hojas de cálcu-lo del propio simulador. El sistema de

control distribuido de la planta real era comercializado por Honeywell, y su emulador por Proconex. Se utilizó la Inprocess Instructor Station como software responsable de la comuni-cación de datos a través del standard OPC, así como para ejecutar las accio-nes de los operadores de campo y pa-ra gestionar las sesiones de formación como instructor.

Según los datos presentados por Pertorp ab en la misma reunión de usuarios de aspentech mencionada anteriormente, el hecho de haber en-trenado a los operadores de la futura planta de aldehído con el OTS supuso una arrancada estable (una vez supe-rados unos problemas de hardware iniciales) mientras que la arrancada de la planta de 2-PH, a pesar de ser una planta ya conocida, tuvo muchos más problemas y fueron necesarios más de un intento de arranque para conseguir llevar la planta al punto de operación deseado. La Figura 5 presenta gráfi-camente cómo comparan a lo largo del tiempo los arranques de las dos plantas

En este proyecto, el hecho de usar un OTS supuso para Perstorp la vali-dación del diseño propio del proceso productivo (dimensiones de equipos, disposición de los mismo, filosofía de control), la validación del sistema de control (sistema de seguridad, panta-llas de operador, pre-sintonización de lazos) y el entrenamiento de los opera-dores (familiarización con el proceso, entreno del arranque).

La revisión de la base de datos del DCS de la nueva planta, que se llevó a cabo durante las cuatro semanas que duró el proceso de integración del modelo dinámico del proceso con el simulador del sistema de control, su-puso la corrección del código del DCS, modificando rangos de instrumentos y controladores feed-forward, detectan-do problemas en otros controladores, implementando mejoras en las matri-ces causa-efecto, y modificando algu-nos de los márgenes de las alarmas. Después de este trabajo de mejora en la base de datos, esta fue directamen-te importada en el sistema de control de planta, requiriendo un mínimo de

Figura 5. Comparación de los intentos de arranque de las plantas de aldehído valérico y de 2-PH de Perstorp, con y sin OTS

La seguridad en las plantas aumenta cuando los operadores son entrenados para su arranque usando OTS, y cuando son reentrenados periódicamente en las situaciones de emergencia

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ajuste fino para su entrada en funcio-namiento.

cOnclusiOnesLa industria de proceso está demandan-do cada vez más el uso de herramien-tas para el entreno de sus operadores de sala de control que sean capaces de reproducir fielmente el comportamien-to de la planta real, tanto en las condi-ciones habituales de operación como en aquellas no esperadas que puedan requerir la activación de los sistemas de seguridad y emergencia. Cuando algu-na parte de estas herramientas, cono-cidas como OTS, extienden su uso a la fase de ingeniería de la planta o a la

fase de chequeo de la base de datos del DCS, el esfuerzo, tanto económico como de tiempo empleado que pue-da suponer un OTS, se ve recompen-sado por beneficios adicionales como los presentados por Cepsa Química y Pertorp ab en sus proyectos conjuntos con Inprocess.

Bibliografía[1]Pedraza,M.,Lahaie,P.,Li,Z,Ferrer,J.M.,Nougués,J.M.,Tona,R.,Alcoverro,C., 2015. “HYSYS-based Operator Training Simulator for a new Cumene & Phenol plant”. Oral Communication at “Optimize 2015”, aspentech, boston

[2]OlegPajalic,O.,Rönnberg,J.,Ferrer,J.M.,Nougués,J.M.,Tona,R.,Crespo,A.,2015,“Training in an aspen HYSYS-based Valeraldehyde Virtual Plant”. Oral Communication at “Optimize 2015”, aspentech, boston.

aBreviaTurasDcs: sistema de control distribuido (distributed control system, en inglés)OTs: sistema de entrenamiento de operadores (operator training systems, en inglés)3D: tres dimensionesDiF: difícil, importante, (poco) Frecuente2-PH: alcohol 2-propylheptanoicoOPc: ole for process controlOle: object linking and embedding